DNA甲基化.ppt

DNAmethylation 2010 1 20 劉丹 2 明星熊貓 滾滾 為什么熊貓是黑白的 基因決定命運(yùn) 1942年 ConradHalWaddington提出表觀遺傳學(xué) Epigenetics 的概念 以此解釋物種的內(nèi)在基因與外觀表現(xiàn)之間的關(guān)系 基因序列 Genotype 的改變可能導(dǎo)致功能及表型 Phenotype 的改變 基因型通過(guò)一些 偶然的 不確定的機(jī)制 決定了不同的表型 生物的不同特征完全隨機(jī)獲得 Waddington sepigenetics 基因型 表型 Waddington sepigenetics 基因型 表型 DNA雙螺旋 基因的結(jié)構(gòu) 基因表達(dá)受多種因素調(diào)控 現(xiàn)代表觀遺傳學(xué)概念 基因的DNA序列不發(fā)生改變的情況下 基因的表達(dá)水平與功能發(fā)生改變 并產(chǎn)生可遺傳的表型 生物的不同特征由基因定向調(diào)控表觀遺傳學(xué)的現(xiàn)象 基因表達(dá)的調(diào)控方式 DNA甲基化表觀遺傳學(xué)的核心 最初始的調(diào)控方式 組蛋白修飾MicroRNAGenomicimprinting 真核生物基因表達(dá)調(diào)控層次 1 DNA水平調(diào)節(jié)2 轉(zhuǎn)錄水平調(diào)節(jié)3 轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)節(jié)4 翻譯水平調(diào)節(jié)5 翻譯后加工的調(diào)節(jié) DNA 轉(zhuǎn)錄初產(chǎn)物RNA mRNA 蛋白質(zhì)前體 mRNA降解物 活性蛋白質(zhì) DNA水平調(diào)節(jié) 轉(zhuǎn)錄水平調(diào)節(jié) 轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)節(jié) 翻譯調(diào)節(jié) mRNA降解的調(diào)節(jié) 翻譯后加工的調(diào)節(jié) 核 細(xì)胞質(zhì) DNA甲基化 DNAmethylation的定義 DNAmethylation是唯一發(fā)生在哺乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)DNA合成后的修飾作用 是調(diào)節(jié)基因表達(dá)的機(jī)理之一 DNA甲基化能關(guān)閉某些基因的活性 去甲基化則誘導(dǎo)了基因的重新活化和表達(dá) DNA甲基化能引起染色質(zhì)結(jié)構(gòu) DNA構(gòu)象 DNA穩(wěn)定性及DNA與蛋白質(zhì)相互作用方式的改變 從而控制基因表達(dá) DNAmethylation的定義 在甲基轉(zhuǎn)移酶 DMNT 的催化下 DNA的CG兩個(gè)核苷酸中的胞嘧啶 Cytosine 被選擇性地添加甲基 形成5 甲基胞嘧啶 5 mC 這常見(jiàn)于基因的5 CG 3 序列 DNA甲基化主要形成5 mC和少量的N6 甲基嘌呤 N6 mA 及7 甲基鳥(niǎo)嘌呤 7 mG 結(jié)構(gòu)基因中廣泛存在著相鄰的兩個(gè)CG 其中胞嘧啶的5位碳原子通常被甲基化 且兩個(gè)甲基集團(tuán)在DNA雙鏈大溝中呈特定三維結(jié)構(gòu) CpG CpG島 cpgisland 結(jié)構(gòu)基因組中70 90 的獨(dú)立CpG都被甲基化 未甲基化的CpG成簇地聚集形成CpG島主要位于結(jié)構(gòu)基因的啟動(dòng)子和第一外顯子區(qū)域 約有60 以上基因的啟動(dòng)子含有CpG島 是結(jié)構(gòu)基因啟動(dòng)子的核心序列和轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn) CPGisland的功能 通過(guò)甲基化與去甲基化 調(diào)控下游基因的表達(dá) 基因表達(dá)的調(diào)控開(kāi)關(guān) DNAmethylation的生物學(xué)功能 在發(fā)育和分化中調(diào)控基因的表達(dá) 特征性表型基因的表達(dá) 膚色 毛發(fā) X染色體的失活 X inactivation DNA甲基化生物學(xué)作用 IAP intracisternalAparticle去甲基化 灰鼠基因 agouti 僅微量表達(dá)甲基化 基因超量表達(dá) X染色體的失活 X inactivation 生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中 雌性哺乳類動(dòng)物細(xì)胞中的兩條X染色體其中一條失去活性的現(xiàn)象 避免因擁有兩條X染色體而產(chǎn)生雙倍的基因產(chǎn)物 保持和雄性動(dòng)物X染色體數(shù)量及功能上的一致性 X染色體上存在一個(gè)與X染色體失活有密切聯(lián)系的核心部位 核心區(qū)命名位X染色體失活中心 X chormosomeinactivationcenter Xic 其定位在人Xq13區(qū) Barr氏小體濃縮部位 研究發(fā)現(xiàn)失活的染色體上DNA序列都呈高度甲基化 導(dǎo)致絕大多數(shù)基因轉(zhuǎn)錄處于關(guān)閉狀態(tài) X chromosomeinactivation 雌性家貓的一條X染色體完全失去活性 Rainbow CopyCat Allie X染色體失活 影響DNAmethylation的調(diào)控因素 DNA甲基轉(zhuǎn)移酶 DNMT 的活性哺乳動(dòng)物體內(nèi)有三種DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶 Dnmt1 Dnmt3a和Dnmt3b DNMT1 持續(xù)性DNA甲基轉(zhuǎn)移酶 與甲基化相關(guān) 缺乏引起基因組低甲基化 染色體缺失 重排 突變畸形DNMT3a DNMT3b 從頭甲基轉(zhuǎn)移酶 與去甲基化相關(guān) 在胚胎干細(xì)胞和早期胚胎中高度表達(dá) 缺乏引起胚胎死亡 在腫瘤組織中廣泛高表達(dá) SCIENCEVOL30018APRIL2003 正常小鼠 Dnmt1 陽(yáng)性對(duì)照DNM1酶缺乏小鼠模型 Dnmt1chip 實(shí)驗(yàn)組Embryonicstem ES 細(xì)胞 Dnmt1 陰性對(duì)照 Dnmt1chip 小鼠Dnmt1酶的表達(dá)量明顯減少 大約為正常小鼠的10 Dnmt1chip 小鼠體重僅為正常小鼠66 80 的小鼠在4 8個(gè)月內(nèi)產(chǎn)生T細(xì)胞性淋巴瘤 c myc癌基因在Dnmt1chip 小鼠中異常高表達(dá) 影響DNAmethylation的調(diào)控因素 組蛋白的甲基化真核生物的組蛋白N末端或C末端氨基酸殘基可生乙?；?甲基化 磷酸化 泛素化等共價(jià)修飾 并影響基因轉(zhuǎn)錄 H3K9的甲基化與DNA的甲基化在基因的沉默機(jī)制中具有協(xié)同作用H3K4的甲基化拮抗DNA甲基化所產(chǎn)生的基因沉默 影響DNAmethylation的調(diào)控因素 RNA干擾一般認(rèn)為RNA干擾 RNAi 是正常生物體內(nèi)抑制特定基因表達(dá)的一種現(xiàn)象 翻譯 轉(zhuǎn)錄后水平siRNA指導(dǎo)DNA甲基化 RdDM 現(xiàn)象證實(shí) siRNA可以通過(guò)DNA甲基轉(zhuǎn)移酶Dnmt1和Dnmt3b介導(dǎo)DNA甲基化 DNA水平 DNAmethylationandOncology 正常生物DNA甲基化 DNA甲基化始發(fā)于胚胎早期 隨著組織細(xì)胞分化發(fā)育 基因組DNA經(jīng)歷了去甲基化 區(qū)域性的重新甲基化以及組織特異基因選擇性的去甲基化的過(guò)程 最后 這種DNA甲基化模式就相對(duì)穩(wěn)定下來(lái) 腫瘤組織的DNA甲基化 腫瘤中普遍存在DNA甲基化狀態(tài)的改變 其特點(diǎn)是總體的甲基化水平降低與局部的甲基化水平升高 低甲基化可誘導(dǎo)原癌基因和轉(zhuǎn)座子成分活化 基因印跡缺失以及染色體不穩(wěn)定性增加 最終誘發(fā)腫瘤在整體低甲基化的水平下 某些抑癌基因發(fā)生高甲基化 導(dǎo)致基因沉默 對(duì)腫瘤抑制能力低下 DNA甲基化與腫瘤的關(guān)系 腫瘤細(xì)胞的特征 癌基因低甲基化 被激活 抑癌基因高甲基化 被沉默甲基化水平與腫瘤生物學(xué)特性密切相關(guān) DNA甲基化水平越低 染色體越容易發(fā)生功能異常 腫瘤的浸潤(rùn)能力就越高 臨床分期也愈晚 常見(jiàn)易被甲基化的抑癌基因與修復(fù)基因及其作用 有學(xué)者研究認(rèn)為 DNA甲基化是繼基因結(jié)構(gòu)變異即突變和缺失之后的第3種抑癌基因失活機(jī)制 CpG島保護(hù)因子缺乏DNMT3高表達(dá)和DNMT復(fù)合體調(diào)控障礙復(fù)制周期時(shí)間錯(cuò)誤DNA甲基化導(dǎo)致遺傳不穩(wěn)定性 MilutinovicS DNAmethyltransferaseinhibitioninducesthetranscriptionofthetumorsuppressorp21 WAF1 CIP1 sdi1 J JBiolChem 2000 275 9 6353 6359 DNAmethylation的應(yīng)用前景 腫瘤的早期診斷基因啟動(dòng)子區(qū)域的CpG島甲基化能沉默基因轉(zhuǎn)錄 在正常細(xì)胞中是一種調(diào)節(jié)基因表達(dá)的手段 然而抑癌基因發(fā)生異常甲基化是在腫瘤早期就發(fā)生而且一直進(jìn)行的 導(dǎo)致惡性腫瘤表型的表達(dá) DNAmethylation的應(yīng)用前景 DNAmethylation的應(yīng)用前景 Kuester報(bào)道在88 19 24 27 食管Barrett s化生病例和100 13 13 的上皮內(nèi)瘤變病例中檢測(cè)到MGMT基因異常甲基化 提示MGMT甲基化是食管腺癌早期頻繁發(fā)生的事件 Kelavkar等發(fā)現(xiàn)ALDX15基因在前列腺上皮內(nèi)瘤變 前列腺癌中以異常甲基化存在 而在正常前列腺細(xì)胞系中是以非甲基化狀態(tài)存在 說(shuō)明其異常甲基化與前列腺癌的發(fā)生關(guān)系密切 1 KUESTERD etal SilencingofMGMTexpressionbypromoterhypermethylationinthemetaplasia dysplasia carcinomasequenceofBarrett sesophagus CancerLett 2009 275 1 117 126 2 KELAVKARP etal DNAmethylationparadigmshift 15 Lipoxygenase 1upregulationinprostaticintraepithelialneoplasiaandprostatecancerbyatypicalpromoterhypermethylation ProstaglandinsOtherLipidMediat 2007 82 1 4 185 197 DNAmethylation的應(yīng)用前景 優(yōu)點(diǎn) DNA甲基化檢測(cè)具有早期 無(wú)創(chuàng) 快捷 靈敏度高等特點(diǎn) 血液 粘膜上皮標(biāo)本 缺點(diǎn) 特異性不足 DNAmethylation的應(yīng)用前景 腫瘤的預(yù)后分析甲基化改變與腫瘤分級(jí) 分期有明顯的相關(guān)性 RASSF1A甲基化在低分化肺癌中比在高分化中更常見(jiàn)在結(jié)直腸癌Dukes分期C和D的病例中CDKN2A p16的甲基化率比A和B期的增高 DASPM DNAmethylationandcancer JClinOncol 2004 22 22 4632 4642 DNAmethylation的應(yīng)用前景 DNA異常甲基化可促進(jìn)腫瘤的侵襲和轉(zhuǎn)移乳腺癌中CyclinD2 RAR Twist RASSF1A和HIN 1的甲基化改變與淋巴結(jié) 骨 腦 肺轉(zhuǎn)移有關(guān) MEHROTRAJ etal Veryhighfrequencyofhypermethylatedgenesinbreastcancermetastasistothebone brain andlung ClinCancerRes 2004 10 9 3104 3109 DNAmethylation的應(yīng)用前景 甲基化可作為腫瘤復(fù)發(fā)的獨(dú)立預(yù)測(cè)因子 口腔鱗狀細(xì)胞癌時(shí)存在RECK基因甲基化的患者復(fù)發(fā)率明顯增高甲基化影響生存期膀胱癌中APC GSTP1和TIG1基因發(fā)生異常甲基化時(shí) 患者存活時(shí)間明顯縮短 LONGNK etal HypermethylationoftheRECKgenepredictspoorprognosisinoralsquamouscellcarcinomas J OralOncol 2008 44 11 1052 1058 ELLINGERJ etal HypermethylationofCel FreeSerumDNAIndicatesWorseOutcomeinPatientsWithBladderCancer JUrol 2008 179 1 346 352 DNAmethylation的應(yīng)用前景 腫瘤的去甲基化治療DNA甲基化程度依賴于DNMT活性 正常甲基化模式的建立需要DNMT1和DNMT3的共同作用 DNMT1是DNMT3啟動(dòng)CpG核苷酸從頭甲基化的保證 而DNMT3則使甲基化水平穩(wěn)定在正常需要水平 去甲基化 抑制DNMT活性藥物是治療腫瘤的新希望 胞苷類似物通過(guò)共價(jià)鍵與DNMT形成不可逆的復(fù)合物從而競(jìng)爭(zhēng)性抑制其活